Электроусилитель рулевого управления легкового

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Электроусилитель рулевого управления легкового автомобиля на
базе синхронного двигателя с постоянными магнитами
Марков В.В., к.т.н., доцент Прохоров В.А., Урдин Д.А.
МГТУ «МАМИ»
В настоящее время в автомобилестроении идет интенсивный процесс оснащения
машин новыми средствами электрооборудования и электроники. Они используются для
повышения
комфортности
автомобиля
(стеклоподъемники,
стеклоочистители,
вентиляторы, электрические зеркала т.п.), в системе топливоподачи (бензонасос,
электромеханизмы подготовки и впрыска топлива), в системах смазки и охлаждения, а
также и в системах управления движением автомобиля. В современных автомобилях
может устанавливаться уже более тридцати различных электроприводов. К ним, в
частности, относится электроусилитель рулевого управления (ЭУРУ). Его также называют
и электромеханическим усилителем рулевого управления (ЭМРУ) – это вариант ЭУРУ
изготовленный по без использования редуктора.
На сегодняшний день известны три основных усилителя рулевого управления
автомобилем: механический, гидравлический и электрический.
Механический усилитель руля предназначен для уменьшения усилия на рулевом
колесе при маневрировании. В автомобиль с повышенной проходимостью, наиболее
целесообразна установка механического усилителя руля, принципом работы которого
основан на изменении передаточного отношения в рулевом механизме. Это
модернизированный штатный рулевой механизм, не оснащенный каким-либо
дополнительным приводом.
Достоинства: снижает усилия на руле почти в два раза, не требует особых навыков
при установке и не вносит видимых изменений в конструкцию машины. Не требует
дополнительного обслуживания в течение длительного времени эксплуатации.
Недостатки: мало заметна работа при парковке.
Общая оценка: приятные изменения за небольшую стоимость, не заметна роль при
паркинге.
Гидравлический усилитель рулевого управления (ГУРУ) - это устройство состоит из
насоса (обычно ротационного типа), шлангов, трубок, масляного резервуара и собственно
рабочего тела – масла. Простотой ГУРУ не отличается, кроме того, требует
периодического обслуживания. Сложность конструкции и трудоемкий монтаж
сказываются на цене данного оборудования. Она высока, поэтому редко кто
устанавливает гидроусилитель на автомобиль, где он не предусмотрен стандартной
комплектацией. Наиболее целесообразно установка гидроусилителя в автомобиль с
повышенной проходимостью. Существуют модели гидроусилителей с возвратным
эффектом или без него.
Достоинства: значительное снижение усилия на рулевом колесе (особенно при
маневрировании на месте); уменьшение общего числа оборотов рулевого колеса.
Недостатки: большие сложности при установке, существенно изменяет рулевую
систему автомобиля, при эксплуатации требует своевременного обслуживания и
внимания, высокая стоимость.
Общая оценка: ощутимое снижение усилия на рулевом колесе, сложность монтажа.
Электроусилитель рулевого управления (ЭУРУ) - это устройство, предназначенное
для снижения управляющего усилия, прикладываемого водителем к рулевому колесу, а
также для активного возврата управляемых колес и рулевого колеса в положение,
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
77
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
соответствующее прямолинейному движению после снятия управляющего воздействия с
рулевого колеса.
Применение этого устройства на борту автомобиля позволяет не только облегчить
управление автомобилем, но и получить ряд преимуществ, таких как:
• повышение эксплуатационных, экономических и экологических показателей
автомобиля;
• по сравнению с гидроусилителем, электроусилитель позволяет экономить 3—5 %
топлива;
• снижение момента, прикладываемого к рулевому колесу при парковке и
прохождении затяжных поворотов, а также при прохождении поворотов на малых
скоростях движения;
• служит демпфером, гасящим удары и вибрации, возникающие от контакта колес
с дорогой;
• создает противодействующий момент при высокой скорости движения, повышая
тем самым безопасность движения, т.к. при высоких скоростях рулевое управление
становится очень чувствительным;
• имеется возможность подстройки усилия под себя, благодаря т.н. «умной»
электронике;
• малое время монтажа;
• снижение нагрузки на рулевое колесо более чем в шесть раз и т.д.
В общем случае ЭУРУ может быть реализован по двум принципиальным схемами: с
разрывом механической связи между рулем и управляемыми колесами и с сохранением
такой связи. Для дальнейшей проработки выбран вариант с сохранение механической
связи, т.к. варианты без сохранения механической связи не имеют широкой практической
реализации.
Управляемый электропривод ЭУРУ может быть реализован на базе электрических
машин различного типа. В силу вышесказанного был проведен патентный поиск и анализ
систем реализации ЭУРУ. В настоящее время существуют схемы ЭУРУ, выполненные на
базе двигателей постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ). Варианты
реализации подобных схем представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Электроусилитель рулевого управления на базе ДПТ НВ
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
78
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Главным общим недостатком этой и подобной этой схем является наличие в них
щеточно-коллекторного узла. Т.к. при движении автомобиля рулевое управление работает
непрерывно при постоянных пусках и остановках двигателя, то этот узел быстро
изнашивается и требует постоянного профилактического обслуживания.
На основании этого был сделан вывод о необходимости применения его
бесконтактного варианта: асинхронного или синхронного двигателя. Для дальнейшего
рассмотрения и проработки был выбран вариант ЭУРУ на базе синхронного двигателя,
как наиболее простого и надежного, блок-схема которого представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Блок-схема электроусилителя рулевого управления легковым
автомобилем на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами
Работает система следующим образом.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
79
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
При повороте руля в одну сторону сигнал определенной полярности с датчика угла
поворота руля ДУПР (датчик момента) поступает на один из входов формирователя
напряжения управления ФНУ, на второй его вход поступает сигнал с датчика угла
поворота колес ДУПК, где происходит их сравнение. С выхода ФНУ поступает сигнал на
блок логики БЛ, который через замкнутый ключ Кл управляет датчиком положения
ротора ДПР. Последний, в свою очередь, через формирователь импульсов управления
ФИУ, связан с распределителем импульсов РИ, на выходе которого формируются шесть
сигналов управления шестью ключами коммутатора К, к выходу которого подключен
исполнительный синхронный двигатель СД, который отрабатывает заданный угол
поворота колес.
Если руль поворачивается в обратную сторону или возвращается в исходное
положение, то сигнал с ДУПР меняется на противоположный и дополнительно
воздействует на ФИУ, на выходе которого два слаботочных сигнала управления по фазам
двигателя меняются местами, что приводит к вращению исполнительного двигателя в
обратную сторону. После каждой отработки заданного рулем угла поворота колес Кл
разрывает связь идущую к ДПР и двигатель останавливается, фиксируя колеса в заданном
положении.
Так как исполнительный двигатель постоянно работает в режиме пуска и
торможения, то необходимо ограничить большие пусковые токи, потребляемые
двигателем. Эту функцию выполняют следующие узлы:
• Датчик тока ДТ,
• Узел сравнения УС,
• Усилитель рассогласования УР,
• Задающий генератор ЗГ,
• Широтно-импульсный модулятор ШИМ.
Сигнал с ШИМ через РИ осуществляет дополнительную коммутацию ключей К на
повышенной частоте, что снижает его выходное напряжение, а следовательно ток
двигателя остается на заданном уровне, который устанавливается в виде Iогр вводимого в
систему регулирования.
Ввиду того, что скорость поворота колес автомобиля должна соответствовать
скорости его движения, то в системе предусмотрена связь по скорости, осуществляемая
через датчик скорости ДС. Его сигнал дополнительно поступает на БЛ, обрабатывается и
осуществляется соответствующее воздействие на систему.
Так как источником питания системы является бортовая сеть автомобиля с довольно
низким напряжением 12 В, то дополнительно встает вопрос о выборе силовых ключей
коммутатора.
Роль таких ключей могут выполнить как биполярные транзисторы, так и IGBT.
Падение напряжения на ключах коммутатора в открытом состоянии может составлять от
долей вольта до нескольких единиц вольт. И чем более это падения напряжения, тем
меньше КПД получится у всей системы в целом.
Именно с этих позиций и требуется особо тщательно подходить к выбору
транзисторов.
На данном уровне развития элементной базы наиболее предпочтительными могут
оказаться биполярные транзисторы.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
80